（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

目前應(yīng)用最為廣泛的圖像傳感器有電荷耦合器件CCD（Charge-Coupled Device）和互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）[1]。其中，CMOS 因其集成度高，且能與數(shù)字電路形成片上系統(tǒng)（System on a Chip,SoC），具有低功耗、工藝成本低等特點(diǎn)，近年來被廣泛研究，逐漸成為消費(fèi)類電子產(chǎn)品的主流[2]。其種類包含感光陣列、列放大器、模擬信號(hào)處理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路，幀（行）控制電路和時(shí)序電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路等[3]。由于CMOS 芯片的像素很高，因此芯片的尺寸相對(duì)較大，通常在30 mm 以上，最大尺寸可達(dá)100 mm。

為了保證CMOS 圖像傳感器工作時(shí)的掃描精度和掃描范圍，對(duì)芯片貼裝的平面度有非常嚴(yán)苛的要求，具體要求如表1 所示。這對(duì)60 mm 以上超大尺寸CMOS 圖像傳感器芯片的貼裝工藝來說是一個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。關(guān)于大尺寸芯片與超薄芯片的封裝翹曲問題，國內(nèi)外從工藝、變形機(jī)理、協(xié)同設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行了研究[4-8]。

表1 60 mm 級(jí)CMOS 圖像傳感器裝片要求及主要影響因素

本文針對(duì)一款60 mm 尺度超大尺寸CMOS 芯片裝片工藝，通過裝片結(jié)構(gòu)分析、裝片膠的材料選擇和裝片工藝參數(shù)的優(yōu)化，解決芯片裝片傾斜和表面不平整問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CMOS 圖像傳感器芯片通過裝片膠貼裝在管殼底座上。該裝片結(jié)構(gòu)的基本模型是一個(gè)芯片/裝片膠/管殼三明治結(jié)構(gòu)。圖1 為該三明治結(jié)構(gòu)的簡化模型（四分之一對(duì)稱仿真模型）。管殼材料相對(duì)明確，一般選擇氧化鋁陶瓷管殼。圖中紅色區(qū)域?yàn)镃MOS 芯片。CMOS 芯片的尺寸為63 mm×32 mm，厚度僅為50 μm，屬于超大而且超薄的CMOS 芯片。介于芯片與管殼之間的材料為裝片膠，厚度為25 μm。

CMOS 芯片的翹曲與芯片、裝片膠、管殼之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配有關(guān)。陶瓷管殼為氧化鋁材料，CTE=6.9×10-6/℃，芯片為硅材料，CTE=2.6×10-6/℃。通過有限元仿真，可以獲得封裝結(jié)構(gòu)從工藝溫度150 ℃冷卻到室溫之后芯片的翹曲度。因此，對(duì)于高精度的裝片要求，需要考察裝片膠材料對(duì)裝片翹曲的影響。從熱殘余應(yīng)力分析角度看，主要考察裝片膠的膨脹系數(shù)與裝片膠的彈性模量的影響。

圖1 有限元仿真模型

影響芯片貼片精度和翹曲度的因素是多方面的。人員操作的因素，可以通過人員培訓(xùn)將問題排除；設(shè)備方面的影響因素有點(diǎn)膠系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳送系統(tǒng)震動(dòng)和裝片夾具的精度；材料方面，裝片膠的CTE、彈性模量參數(shù)都是影響芯片翹曲度的重要因素；工藝方面，基于裝片膠特性和芯片面積，選擇合適點(diǎn)膠針高度、點(diǎn)膠圖案、點(diǎn)膠量以及固化程序，可有效控制芯片翹曲度和收縮率在目標(biāo)范圍內(nèi)。

本文從兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：1）裝片膠的選擇評(píng)估，通過不同裝片膠的性能比對(duì)，結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)仿真，選擇符合產(chǎn)品規(guī)范的裝片膠；2）針對(duì)優(yōu)選的裝片膠型號(hào)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，主要從點(diǎn)膠厚度和固化程序優(yōu)化進(jìn)行評(píng)估。

3 裝片膠的選擇

3.1 管殼尺寸及裝片膠的膨脹系數(shù)、彈性模量的影響

為了減少管殼尺寸因素對(duì)裝片翹曲的影響，在研究裝片材料對(duì)芯片翹曲的影響之前，首先對(duì)管殼壁(wall)和管殼底部(base)的厚度進(jìn)行了研究。仿真分析通過Abaqus 軟件進(jìn)行。結(jié)果表明（見圖2），增加管殼壁的厚度或者增加管殼底部的厚度，都可以提高裝片后芯片的翹曲度，降低芯片的翹曲。其中，管殼壁厚度的影響相對(duì)平緩，而管殼底部厚度的影響更為顯著。為了盡量減少管殼因素對(duì)芯片翹曲的影響，管殼壁的厚度和管殼底部的厚度均可在3 mm 以上。

圖2 管殼壁厚尺寸對(duì)CMOS 芯片翹曲的影響

假定管殼壁厚度為3 mm，底部厚度為3 mm，對(duì)膠的膨脹系數(shù)與彈性模量的影響展開研究。裝片膠的膨脹系數(shù)的變化范圍為50×10-6/℃～400×10-6/℃，而彈性模量的變化范圍為10 MPa～3000 MPa，基本涵蓋各種裝片膠的性能范圍。

圖3 裝片膠的CTE 與彈性模量對(duì)芯片翹曲的影響

根據(jù)圖3，在裝片膠CTE 不變的情況下，適當(dāng)提高裝片膠的彈性模量，有助于減少裝片后的芯片翹曲。圖中的各條曲線大致相交于模量為2.2 GPa 處，表明裝片膠的彈性模量為2.2 GPa 左右時(shí)，裝片后芯片的翹曲較為穩(wěn)定與優(yōu)化，為3.2 μm 左右。過大的彈性模量，會(huì)引入封裝應(yīng)力，對(duì)超薄芯片抵抗應(yīng)力不利。當(dāng)裝片膠的彈性模量比較低時(shí)（小于2.2 GPa），表現(xiàn)為裝片膠的膨脹系數(shù)越低，芯片的翹曲就越小。所以，低膨脹系數(shù)的裝片膠是一個(gè)比較優(yōu)化的選擇。

3.2 裝片膠優(yōu)選

相對(duì)于DSP、FPGA 等集成電路芯片，圖像傳感器芯片功耗一般不大，且通常對(duì)芯片襯底電位無要求，本文主要選擇承受溫度在200 ℃的非導(dǎo)電膠。表2 是傳感器芯片的3 款常用裝片膠的性能。這些性能包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、高低溫下的CTE、高低溫下的彈性模量、剪切模量和質(zhì)量穩(wěn)定性等。當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，環(huán)氧裝片膠呈玻璃態(tài)；當(dāng)溫度高于Tg時(shí)，環(huán)氧裝片膠硬度明顯下降，呈橡膠態(tài)，且CTE 也產(chǎn)生變化。CTEα1是指溫度低于Tg時(shí)材料的熱膨脹系數(shù)，CTEα2 是溫度高于Tg時(shí)材料的熱膨脹系數(shù)。如果二者相近，則Tg不在考慮范圍；如果二者相差非常大，裝片膠Tg應(yīng)該盡可能高于器件工作溫度，以保證CMOS 芯片在工作時(shí)的翹曲度及可靠性。

針對(duì)3 款常用裝片膠用有限元仿真優(yōu)選，3 款膠具有不同的Tg溫度、熱膨脹系數(shù)和彈性模量（如表2所示）。仿真結(jié)果見表3。圖4 為采用裝片膠1 時(shí)芯片的翹曲云圖，裝片膠2 與裝片膠3 的云圖與之類似。共同特點(diǎn)是芯片的翹曲均不大，在3.5～4.0 μm 范圍內(nèi)。3 款裝片膠均能滿足芯片整體翹曲度小于20 μm 的要求。由于陶瓷管殼的膨脹系數(shù)比芯片的膨脹系數(shù)略高，因此降溫過程收縮更大，于是芯片翹曲形狀體現(xiàn)為中部位置比四周的位置要高些。

表2 裝片膠主要參考指標(biāo)比對(duì)

表3 3 款裝片膠的翹曲仿真結(jié)果

圖4 裝片膠1 的翹曲云圖

從裝片膠的化學(xué)穩(wěn)定性（釋氣）進(jìn)行優(yōu)選。裝片膠1 的固化釋氣值（Weight Loss on Cure）非常小，預(yù)測(cè)膠在固化過程中的排氣量(Out Gassing)比較小，可很好地控制密封器件的釋氣。裝片膠3 的各項(xiàng)性能介于裝片膠1 和2 之間，不足的是固化釋氣值比較高，且裝片膠3 的Tg接近器件工作溫度，因此裝片膠3 不在考慮范圍內(nèi)。

從裝片膠的粘接強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)選。裝片膠2 的Tg非常低(-55 ℃)，模量非常小(僅2.77 MPa)，材料非常軟，膠的CTE 非常大(345×10-6/℃)。表3 表明，裝片膠的等效應(yīng)力越小，膠的剪切強(qiáng)度也越小。通過比對(duì)裝片膠1和裝片膠2 在25 ℃下的芯片粘接力，可以發(fā)現(xiàn)裝片膠1 的芯片剪切強(qiáng)度是裝片膠2 的4.54 倍。因此，裝片膠2 的膨脹系數(shù)偏大，芯片粘接力偏低。

總之，裝片膠1 粘接芯片與管殼的粘接強(qiáng)度高，且裝片膠1 的Tg高于器件工作溫度，CTEα1 較小，預(yù)期器件工作時(shí)膠的變形量小，可靠性有保證，最終選擇裝片膠1 為該工藝使用的材料，進(jìn)行工藝優(yōu)化。

4 裝片工藝參數(shù)優(yōu)化

裝片膠1 是雙組份膠，在使用前按比例混合攪拌，并進(jìn)行脫泡處理。用壓力-時(shí)間點(diǎn)膠系統(tǒng)，壓力值固定不變，點(diǎn)膠量的多少與點(diǎn)膠時(shí)間成正比。在進(jìn)行點(diǎn)膠試驗(yàn)前，需要先計(jì)算合適的點(diǎn)膠量，根據(jù)點(diǎn)膠量評(píng)估點(diǎn)膠針直徑和點(diǎn)膠行程。

首先分析點(diǎn)膠厚度對(duì)芯片翹曲度的影響。根據(jù)裝片膠1 的特性，通過有限元分析點(diǎn)膠厚度25～125 μm時(shí)芯片翹曲度值，參見圖5。有限元分析結(jié)果顯示，在點(diǎn)膠厚度范圍25～125 μm 內(nèi)，裝片膠厚度越小，芯片翹曲量越小。這種現(xiàn)象可以解釋為裝片膠與芯片之間存在CTE 的差異，在拉伸模量比較高的情況下，膠層越厚，裝片膠因CTE 失配對(duì)芯片的“拉扯”程度越大。

圖5 裝片膠1 的厚度對(duì)芯片翹曲的影響

根據(jù)圖5 所示的仿真結(jié)果，膠層太厚對(duì)芯片翹曲影響大，而膠層設(shè)定太薄會(huì)造成膠量不好控制易產(chǎn)生空洞，因此固化后裝片膠厚度目標(biāo)設(shè)定值在30 μm。

點(diǎn)膠完成后進(jìn)行裝片膠的固化，固化曲線一般包含升溫（控制升溫速率）、恒溫和降溫（控制降溫速率）。通常而言，固化峰值溫度越高，裝片膠與芯片的粘結(jié)強(qiáng)度越大，Tg也越高，但膠的收縮率也會(huì)相應(yīng)變高，因此根據(jù)需要選擇一個(gè)合適的固化峰值溫度非常重要。通過膠材料的性能可知，該膠最低固化溫度是120 ℃，環(huán)氧樹脂開始發(fā)生一系列的交聯(lián)固化反應(yīng)，同時(shí)保持一定的恒溫時(shí)間，能夠保證固化充分。

過高的升溫速率，會(huì)使裝片膠內(nèi)一些反應(yīng)單體迅速揮發(fā)，裝片膠收縮率變大，膠與芯片之間的應(yīng)力增大。因此降低固化升溫速率，或者采用兩步固化，可以有效地降低裝片膠收縮率，進(jìn)而控制芯片的翹曲度和傾斜度。過快的降溫速率會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生熱應(yīng)力，但過慢會(huì)影響產(chǎn)能。因此降溫速率一般選擇最大自然降溫速率，器件在烘箱內(nèi)降溫至100 ℃后取出，在環(huán)境氮?dú)庀伦匀唤禍亍＝Y(jié)合膠材料的性能和實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)裝片膠1 采用兩步升溫工藝，先升溫至90 ℃，再升至峰值溫度下固化1 h。試驗(yàn)分別評(píng)估120 ℃、150 ℃與180 ℃峰值溫度下膠的收縮尺寸，如圖6 所示。峰值溫度條件為120 ℃和150 ℃，膠固化前后收縮尺寸均能控制在10 μm 以內(nèi)，滿足膠收縮率小于10 μm 的要求。通過差示掃描量熱法（DSC）檢測(cè)，峰值溫度為150 ℃，1 h 后膠已完全固化。因此最終選擇2 步升溫固化方式，先升溫至90 ℃，再在峰值溫度150 ℃下固化1 h。

圖6 不同固化峰值溫度下膠收縮尺寸對(duì)比

衡量點(diǎn)膠固化工藝是否符合要求，主要是對(duì)固化后芯片翹曲度、膠的收縮、粘接強(qiáng)度檢測(cè)以及后續(xù)的可靠性試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。通過3 點(diǎn)固定平面，計(jì)算芯片表面最大高度與最小高度的差值為翹曲度，圖7 為固化后檢測(cè)芯片翹曲度的控制圖，可以得出芯片的翹曲度遠(yuǎn)低于20 μm 的控制范圍。

圖7 芯片翹曲度的I-MR 控制圖

圖8 所示為芯片裝片后的傾斜度，計(jì)算通過對(duì)芯片4 個(gè)角的位置與陶瓷管殼底部上表面的高度差（H1、H2、H3和H4），然后得到芯片對(duì)角線位置的高度差與芯片對(duì)角線長度比值的反正弦角度小于0.1°，即arcsin|H1-H3|或者|H2-H4|/ L對(duì)角線＜0.1°。最終通過測(cè)量和計(jì)算，傾斜度小于0.1°，滿足工藝要求。

圖8 芯片貼片傾斜度測(cè)量示意圖

圖9 為超聲掃描觀察固化后芯片與管殼的粘結(jié)情況，空洞占芯片面積比率（0%～5%）均優(yōu)于20%的要求（GJB548B-2005 方法2030）。芯片粘接強(qiáng)度采用拉脫強(qiáng)度檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)大于20.00 kg，斷裂模式為芯片與粘結(jié)材料，基板未脫離，滿足GJB548B-2005 方法2019.2 的1.0 倍判據(jù)（大于6.71 kg）要求。

圖9 固化后C-SAM 芯片的粘接層空洞

5 結(jié)論

管殼尺寸優(yōu)化結(jié)果表明，陶瓷管殼壁厚3 mm 以上、底厚3 mm 以上時(shí)，管殼尺寸對(duì)芯片翹曲的影響相對(duì)平緩，有助于降低芯片的翹曲。封裝結(jié)構(gòu)中管殼尺寸的優(yōu)化為研究裝片膠材料性能對(duì)芯片翹曲的影響打下了基礎(chǔ)。通過研究裝片膠的材料性能（彈性模量和膨脹系數(shù)）對(duì)芯片翹曲的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝片膠的彈性模量在2.2 GPa 左右時(shí)，裝片膠膨脹系數(shù)的變化對(duì)芯片翹曲度的影響達(dá)到最小，有助于獲得穩(wěn)定的封裝質(zhì)量。對(duì)幾種裝片膠材料進(jìn)行了優(yōu)選，控制其釋氣率(化學(xué)穩(wěn)定性)和裝片膠的粘接強(qiáng)度。最后通過優(yōu)化裝片膠的厚度、固化工藝參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)了芯片翹曲度小于20 μm 的要求（實(shí)際小于10 μm），同時(shí)芯片的粘結(jié)可靠性滿足要求。